TD-LTE 4G移动通信技术入门培训ppt课件

TD LTE基础技术简介 TD LTE关键技术 2 TD LTE帧结构物理信道及主要测量量 3 主要内容 TDD频谱和RRU简介 4 TD LTE简介 1 LTE网络结构的重要性 5 什么是TD LTE LTE LongTermEvolution 长期演进 是3GPP指定的下一代无线通信标准 TD LTE LTE的TDD模式 在2004年WiMAX对UMTS技术产生挑战 尤其是HSDPA技术 时 3GPP急于开发和WiMAX抗衡的 以OFDM FDMA为核心技术 支持20MHz系统带宽的 具有相似甚至更高性能的技术 长期可以在IMT Advanced标准化上先发制人 LTE是以OFDM为核心的技术 为了降低用户面延迟 取消了 RNC 无线网络控制器 采用了扁平网络架构 与其说是3G技术的 演进 evolution 不如说是 革命 revolution 这场 革命 使系统不可避免的丧失了大部分后向兼容性 也就是说 从网络侧和终端侧都要做大规模的更新换代 因此很多公司实际上将LTE看作4G技术范畴 为什么产生LTE 背景1 移动互联网业务发展的需要 从话音优化到数据优化除了窄带业务的效果 更要提高宽带业务效率从覆盖优化到容量优化除了保证基本业务连续覆盖 更要提高 热区 内的容量从用户容量优化到数据率容量优化运营商收入除了依赖用户数量 更依赖业务流量从均匀容量分布到不均匀容量分布未来80 90 的数据容量集中在室内和热区内业务分布不均匀 系统能力是否有必要均匀分布 背景2 无线接入和宽带移动通信的融合背景3 技术储备成熟到20世纪末 学术界在实现OFDM MIMO的理论 算法 软硬件基础方面已经积累了丰富的技术储备 LTE基本特征 支持灵活组网 单用户下载速率可以达到3G的5 10倍 更低的每bit成本 仅为3G系统的1 4 2G系统的1 20 更好的用户体验 业务建立和切换快速 不易察觉的用户面数据断流 350km h速度下依然具有连接性能 支持1 4MHz 20MHz带宽峰值数据率 上行 50Mbps 下行 100Mbps提高小区边缘的比特率追求后向兼容 但应该仔细考虑性能改进和向后兼容之间的平衡取消CS 电路交换 域 CS域业务在PS 包交换 域实现 如采用VoIP用户面延迟 单向 小于5ms 控制面延迟小于100ms频谱效率达到HSDPA HSUPA的2 4倍降低建网成本 实现从3G的低成本演进对低速移动优化系统 同时支持高速移动 主要面向移动宽带业务 同时也支持语音业务 LTE EPC网络结构 Mainreferencestoarchitecturein3GPPspecs TS23 401 TS23 402 TS36 300 EvolvedUTRAN E UTRAN TD LTE关键技术 2 TD LTE帧结构物理信道及主要测量量 3 主要内容 TDD频谱和RRU简介 4 TD LTE简介 1 LTE网络结构的重要性 5 TD LTE无线关键技术 OFDM 提高频谱效率 OFDM 正交频分复用 的本质就是一个频分系统 而频分是无线通信最朴素的实现方式多采用几个频率并行发送 实现宽带传输 传统的FDM频谱 OFDM频谱 传统FDM系统中 载波之间需要很大的保护带 频谱效率很低生活中的应用 电台广播 OFDM系统允许载波之间紧密相临 甚至部分重合 可以实现很高的频谱效率 子载波如何做到这一点 依赖FFT 快速傅立叶变换 为什么直到最近20年才逐渐实用 有赖于数字信号处理 DSP 芯片的发展 生活中的频分系统 TD LTE无线关键技术 MIMO 提高系统容量及用户速率 广义定义 多进多出 Multiple InputMultiple Output 多个输入和多个输出既可以来自于多个数据流 也可以来自于一个数据流的多个版本按照这个定义 各种多天线技术都可以算作MIMO技术狭义定义 多流MIMO 提高峰值速率多个信号流在空中并行传输按照这个定义 只有空间复用和空分多址可以算作MIMO TD LTE无线关键技术 波束赋形 增强覆盖抑制干扰 利用较小间距的天线阵元之间的相关性 天线间距通常为 2 通过阵元发射的波之间形成干涉 集中能量于某个 或某些 特定方向上 形成波束 从而实现更大的覆盖和干扰抑制效果 赴索马里护航舰队中 负责舰队防空的驱逐舰 海口号 中国的神盾级 的相控阵雷达 可引导红旗9 中国的 爱国者 的相控阵雷达 OFDM发展历史 OFDM概述 正交频分复用技术 多载波调制的一种 将一个宽频信道分成若干正交子信道 将高速数据信号转换成并行的低速子数据流 调制到每个子信道上进行传输 概念 宽频信道 正交子信道 OFDM优势 对比FDM 与传统FDM的区别 传统FDM 为避免载波间干扰 需要在相邻的载波间保留一定保护间隔 大大降低了频谱效率 FDM OFDM OFDM 各 子 载波重叠排列 同时保持 子 载波的正交性 通过FFT实现 从而在相同带宽内容纳数量更多 子 载波 提升频谱效率 上下行资源单位 频率 CCE ControlChannelElement CCE 9REG REG REgroup 资源粒子组 REG 4RE RE ResourceElement LTE最小的时频资源单位 频域上占一个子载波 15kHz 时域上占一个OFDM符号 1 14ms RB ResourceBlock LTE系统最常见的调度单位 上下行业务信道都以RB为单位进行调度 RB 84RE 左图即为一个RB 时域上占7个OFDM符号 频域上占12个子载波 时间 1个OFDM符号 1个子载波 LTERB资源示意图 84symbolsper0 5ms 168ksps 接收机使用来自多个信道的副本信息能比较正确的恢复出原发送信号 从而获得分集增益 手机受电池容量限制 因此在上行链路中采用接收分集也可有效降低手机发射功率 LTE上行天线技术 接收分集 MRC 最大比合并 线性合并后的信噪比达到最大化相干合并 信号相加时相位是对齐的越强的信号采用越高的权重适用场景 白噪或干扰无方向性的场景 原理 IRC 干扰抑制合并 合并后的SINR达到最大化有用信号方向得到高的增益干扰信号方向得到低的增益适用场景 干扰具有较强方向性的场景 接收分集的主要算法 MRC IRC 由于IRC在最大化有用信号接收的同时能最小化干扰信号 故通常情况IRC优于MRC天线数越多及干扰越强时 IRC增益越大IRC需进行干扰估计 计算复杂度较大 性能比较 初期引入建议 IRC性能较好 故建议厂商支持IRC鉴于IRC复杂度较大 厂商初期可能较难支持 故同时要求MRC 多路信道传输同样信息 多路信道同时传输不同信息 多路天线阵列赋形成单路信号传输 包括时间分集 空间分集和频率分集提高接收的可靠性和提高覆盖适用于需要保证可靠性或覆盖的环境 理论上成倍提高峰值速率适合密集城区信号散射多地区 不适合有直射信号的情况 波束赋形 Beamforming 发射分集 分集合并 通过对信道的准确估计 针对用户形成波束 降低用户间干扰可以提高覆盖能力 同时降低小区内干扰 提升系统吞吐量 空间复用 多天线技术 分集 空间复用和波束赋形 LTE传输模式 概述 传输模式是针对单个终端的 同小区不同终端可以有不同传输模式eNB自行决定某一时刻对某一终端采用什么传输模式 并通过RRC信令通知终端模式3到模式8中均含有发射分集 当信道质量快速恶化时 eNB可以快速切换到模式内发射分集模式 TD LTE关键技术 2 TD LTE帧结构 3 主要内容 TDD频谱和RRU简介 4 TD LTE简介 1 LTE网络结构的重要性 5 LTE帧结构 FDDLTE帧结构 TD LTE帧结构 TD LTE帧结构 TD LTE帧结构特点 无论是正常子帧还是特殊子帧 长度均为1ms FDD子帧长度也是1ms 一个无线帧分为两个5ms半帧 帧长10ms 和FDDLTE的帧长一样 特殊子帧DwPTS GP UpPTS 1ms TD LTE上下行配比表 转换周期为5ms表示每5ms有一个特殊时隙 这类配置因为10ms有两个上下行转换点 所以HARQ的反馈较为及时 适用于对时延要求较高的场景 转换周期为10ms表示每10ms有一个特殊时隙 这种配置对时延的保证略差一些 但是好处是10ms只有一个特殊时隙 所以系统损失的容量相对较小 TD LTE帧结构和TD SCDMA帧结构对比 子帧 1ms 0 特殊子帧 1ms 2 3 4 GP UpPTS TD LTE半帧 5ms TD LTE和TD SCDMA帧结构主要区别 时隙长度不同 TD LTE的子帧 相当于TD S的时隙概念 长度和FDDLTE保持一致 有利于产品实现以及借助FDD的产业链TD LTE的特殊时隙有多种配置方式 DwPTS GP UpPTS可以改变长度 以适应覆盖 容量 干扰等不同场景的需要 在某些配置下 TD LTE的DwPTS可以传输数据 能够进一步增大小区容量TD LTE的调度周期为1ms 即每1ms都可以指示终端接收或发送数据 保证更短的时延 而TD SCDMA的调度周期为5ms TD S 4 2 根据计算 此时TD LTE下行扇区吞吐量为28Mbps左右 为避免干扰 特殊时隙只能采用3 9 2 无法用来传输业务 经计算 为和TD SCDMA时隙对齐引起的容量损失约为20 计算方法 TS36 213规定 特殊时隙DwPTS如果用于传输数据 那么吞吐量按照正常下行时隙的0 75倍传输 如果采用10 2 2配置 则下行容量为3个正常时隙吞吐量 0 75倍正常时隙吞吐量 如果丢失此0 75倍传输机会 则损失的吞吐量为0 75 3 75 20 TD LTE 3 1 3 9 2 TD LTE和TD SCDMA邻频共存 TD LTE和TD SCDMA邻频共存 小结 根据仿真结果 此时TD LTE下行扇区吞吐量为26Mbps左右 特殊时隙可以用来传输业务 根据仿真结果 此时TD LTE下行扇区吞吐量为28Mbps左右 特殊时隙采用3 9 2 无法用来传输业务 损失20 根据计算结果 此时TD LTE下行扇区吞吐量为9 3M 特殊时隙采用3 9 2 无法用来传输业务 损失43 上述分析表明 TD S网络3 3配置的情况下 既符合TD LTE网络本身支持业务需求和达到自身性能最优的条件 也没有时隙对齐造成的吞吐量损失 由于现网TD S为4 2的配置 若不改变现网配置 TD LTE在需要和TD S邻频共存的场景下 时隙配比只能为3 1 3 9 2 物理信道配置 不同的同步信号来区分不同的小区 包括PSS和SSS P SCH 主同步信道 符号同步 部分CellID检测 3个小区ID S SCH 辅同步信道 帧同步 CP长度检测和CellgroupID检测 168个小区组ID SCH配置 时域结构 频域结构 SCH 同步信道 PSS位于DwPTS的第三个符号SSS位于5ms第一个子帧的最后一个符号 小区搜索需要支持可扩展的系统带宽 1 4 3 5 10 20MHzSCH P S SCH 占用的72子载波位于系统带宽中心位置 PCI概述 LTE系统提供504个物理层小区ID 即PCI 和TD SCDMA系统的128个扰码概念类似 网管配置时 为小区配置0 503之间的一个号码即可 基本概念 小区ID获取方式 在TD SCDMA系统中 UE解出小区扰码序列 共有128种可能性 即可获得该小区ID LTE的方式类似 不同的是UE需要解出两个序列 主同步序列 PSS 共有3种可能性 和辅同步序列 SSS 共有168种可能性 由两个序列的序号组合 即可获取该小区ID 配置原则 因为PCI直接决定了小区同步序列 并且多个物理信道的加扰方式也和PCI相关 所以相邻小区的PCI不能相同以避免干扰 频域 对于不同的带宽 都占用中间的1 08MHz 72个子载波 进行传输时域 映射在每个5ms无线帧的subframe0里的第二个slot的前4个OFDM符号上周期 PBCH周期为40ms 每10ms重复发送一次 终端可以通过4次中的任一次接收解调出BCH PBCH配置 PBCH 广播信道 广播消息 MIB SIB MIB在PBCH上传输 包含了接入LTE系统所需要的最基本的信息 下行系统带宽PHICH资源指示系统帧号 SFN CRC使用mask的方式天线数目的信息等 SIB在DL SCH上传输 映射到物理信道PDSCH 携带如下信息 一个或者多个PLMN标识Trackareacode小区IDUE公共的无线资源配置信息同 异频或不同技术网络的小区重选信息SIB1固定位置在 5子帧上传输 携带了DL UL时隙配比 以及其他SIB的位置与索引等信息 SIB1 SIB2 SIB3 8 PHICH的传输以PHICH组的形式 PHICH组的个数由PBCH指示 Ng 1 6 1 2 1 2 PHICH组数 Ng 100 8 整数 取上限 3 7 13 25 PHICHmin 3PHICHmax 25采用BPSK调制 传输上行信道反馈信息 指示PDCCH的长度信息 1 2或3 在子帧的第一个OFDM符号上发送 占用4个REG 均匀分布在整个系统带宽 采用QPSK调制 携带一个子帧中用于传输PDCCH的OFDM符号数 传输格式 小区级shift 随机化干扰 PCFICH PHICH配置 PCFICH 物理层控制格式指示信道 PHICH 物理HARQ指示信道 频域 占用所有的子载波时域 占用每个子帧的前n个OFDM符号 n 3PDCCH的信息映射到控制域中除了参考信号 PCFICH PHICH之外的RE中 因此需先获得PCFICH和PHICH的位置之后才能确定其位置 用于发送上 下行资源调度信息 功控命令等 通过下行控制信息块DCI承载 不同用户使用不同的DCI资源 PDCCH配置 覆盖 PDCCH 物理下行控制信道 DCI占用的物理资源可变 范围为1 8个CCE 36个RE CCE DCI占用资源不同 则解调门限不同 资源越多 需求的解调门限越低 覆盖范围越大PDCCH可用资源有限 单个DCI占用资源越多 将导致PDCCH支持用户容量下降针对每个DCI可以进行功控 以达到降低小区间干扰和增强覆盖的目的 PDCCH配置 容量 以3symbol PHICH组数 3为例 可计算出用于PDCCH的CCE总数 3600 16 12 400 36 88CCE 根据用户占用不同CCE个数 可计算出每毫秒可调度次数 88 1 88 88 2 4488 4 22 88 8 11 PDCCH可用资源有限 单个DCI占用资源越多 将导致PDCCH支持用户容量下降 以两天线端口为例计算PDCCH在20MHz带宽下可调度用户数 支持用户数的计算假定 用户每10ms被调度一次用户分布如下 10 用户采用1CCE20 用户采用2CCE20 用户采用4CCE50 用户采用8CCE 初期引入建议 考虑初期应用场景为城区 Format0和4即可满足覆盖要求 故初期仅要求格式0和4 频域 1 08MHz带宽 72个子载波 与PUCCH相邻时域 位于UpPTS format4 及普通上行子帧中 format0 3 每10ms无线帧接入0 5 6次 每个子帧采用频分方式可传输多个随机接入资源 PRACH配置 长度配置 LTE中有两种接入类型 竞争和非竞争 两种类型共享接入资源 前导码 共64个 需要提前设置 初期建议 竞争 非竞争两种接入类型均要求 配置保证在切换场景下使用非竞争接入 PRACH 物理随机接入信道 大小区半径方案 Preamble重复和更长的CP 接入类型建议 PUCCH配置 传输上行用户的控制信息 包括CQI ACK NAK反馈 调度请求等 一个控制信道由1个RBpair组成 位于上行子帧的两边边带上在子帧的两个slot上下边带跳频 获得频率分集增益PUCCH重复编码 获得接收分集增益 增加解调成功率通过码分复用 可将多个用户的控制信息在同一个PDCCH资源上发送 上行容量与吞吐量是PUCCH个数与PUSCH个数的折中 PUCCH 上行物理控制信道 控制信道示意图 PUCCH ACK反馈模式 下行子帧多于上行子帧时 多个ACK NACK通过逻辑与运算生成上行子帧中的ACK NACK 单码字生成一个BitACK NACK 双码字生成两个bitACK NACK 允许最多4个下行子帧的ACK NACK 复用到一起 可以反馈1到4个Bit的ACK NACK 同一个下行子帧中存在多个码字时 则需先通过逻辑与运算生成一个Bit的ACK NACK 一个特殊情况是 上行子帧只对应一个下行子帧时 下行子帧中若存在两个码字 则可直接反馈两个bitACK NACK Bundling Multiplexing 解决上行边缘受限的情况 解决中心用户的吞吐量 用于估计上行信道频域信息 做频率选择性调度用于估计上行信道 做下行波束赋形 用于上行控制和数据信道的相关解调 用作信道估计 测量 上下行时隙中 均位于每个时隙的数据部分之间 下行导频 用作信道估计 用作同步 仅出现于波束赋型模式 用于UE解调 用于下行信道估计 及非beamforming模式下的解调 调度上下行资源用作切换测量 参考信号 TD LTE TD SCDMA 下行参考信号 上行参考信号 CRS DRS DMRS SRS DWPTS Midamble码 相同点 都是公共导频 分布于全带宽内不同点 CRS还可用作非beamforming模式下的解调 相同点 主要用于业务信道的解调不同点 TD L系统是宽带系统 本身存在多个子载波 故DRS及DMRS分布于用户占用的子载波带宽内 DRS 仅用于BF模式下业务信道的解调DMRS 用于上行控制信道和业务信道的解调 下行参考信号 两天线端口示意图 DRS 专用参考信号 CRS 公共参考信号 天线端口5示意图 LTE终端测量量 概述 LTE终端需要报告以下标准化测量量 RSRP表示信号强度 类比于TD SCDMA的RSCPRSRQ表示信号质量 TD SCDMA里没有对应测量量 小区选择基于RSRP值小区重选基于RSRP值切换基于RSRP或RSRQ 测量量 使用场景 Release9对小区选择 重选进行了优化 小区选择 重选也可基于RSRQ切换可以基于RSRQ 避免了TD SCDMA中切换只能基于RSCP带来的信道质量未知的问题 RSRP ReferenceSignalReceivedPower参考信号的接收功率 RSRP R0平均值 PDCCH PDSCH LTE终端测量量 RSRP 注意 RSRP是RE级别的功率 RE带宽为15kHz 所以RSRP值比RSCP偏小 一般为 70dBm到 120dBm之间 RSSI ReceivedSignalStrengthIndicator接收信号强度 有RS的那些symbol的平均功率 RSSI 右图圈出的几个子载波的平均功率 RSSI不是UE需要上报的测量量 不过计算RSRQ需要先得到RSSIRSSI在频域上涉及多少子载波由UE自行决定 测量带宽 LTE终端测量量 RSSI RSRQ ReceivedSignalReceivedQuality接收信号质量 分母是接收带宽上的总功率 分子是接收带宽上的参考信号功率 一定程度上可以认为反映了信道质量 但是分母RSSI因为既包含RS的功率 又包含那些PDSCH的RE的功率 所以事实上RSRQ并不能准确无误的指示RS的信号质量 RSRQ数学公式 实测示例 RSRP 82dB RSSI 54dB N 100 RSRQ 10lg100 82 54 8dB LTE终端测量量 RSRQ RS CINR 真正的RS信号质量 因为RS在所有RE资源中均匀分布 所以RS CINR一定程度上可以表征PDSCH 业务信道 信号质量因为RS SINR没有在3GPP进行标准化 所以目前仅在外场测试中要求厂家提供RS CINR 且不同厂家在实现中可能会有一定偏差 RS CINR TD LTE关键技术 2 TD LTE帧结构物理信道及主要测量量 3 主要内容 TD LTE简介 1 TDD频谱和RRU简介 4 LTE网络结构的重要性 5 中国移动TDD使用频段 联通和电信使用的D频段 2013年之前生产的终端几乎都不支持在FDD正式下发牌照之前 移动的终端有时间领先优势 中国移动TDD使用频段 目前频段的特点 频段高 与GSM 900MHz 相比 频段高 绕射能力差 深度覆盖先天性不足频谱带宽大 TD LTE目前有总共130MHz的频谱带宽可以使用 而联通电信即使分配了FDD的牌照 具有的频谱资源也不到100MHz 为什么要强调频段 LTE目前采用同频组网 是自干扰系统 站间距小 则站与站之间干扰增大 站间距过远 覆盖不佳